CN106513068A - 用于聚合物材质的微流控芯片键合与表面改性的溶液及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于聚合物材质的微流控芯片键合与表面改性的溶液，其包括溶液缓冲组分、键合组分和表面改性组分；所述缓冲组分、键合组分和表面改性组分互溶，且不发生反应，同时不会腐蚀芯片。本发明的微流控芯片键合与表面改性的溶液适合大规模芯片键合，生产通量高；键合盲区少，强度高；设备简单，生产成本低；和键合后，管道的形变小。

Description

用于聚合物材质的微流控芯片键合与表面改性的溶液及其 应用

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片领域，具体涉及一种用于聚合物材质的微流控芯片键合与表面改性的溶液及其应用。

背景技术

微流控芯片技术特点是以微加工技术为基础，将实现样品进样、混合、反应和检测等功能的结构集成在几平方厘米的芯片内。在生物化学检测领域，微流控芯片技术具有通量高、检测灵敏度高、成本低和易于自动化等潜在优势，因而具有很广阔的应用前景。

芯片键合是微流控芯片生产加工过程中的一个重要环节。芯片键合是指将通过微加工获得的微沟道、微坑和通孔等结构，封装成密闭的微管道、微腔体和样品进出口等。以聚合物为材料的微流控芯片常用的键合方法有热压键合、单/双面胶键合和有机溶液辅助键合。

(1)热压键合的方式适合聚合物芯片之间的键合，是通过给键合面施加一定的温度，温度临近或达到聚合物玻璃化温度，让键合面达到软化的状态，同时施加一定的压力，让键合面发生融合，完成芯片键合。热压键合具有键合强度高，无需额外的辅助试剂，因而管道内无残留。但不足之处在于需要较高的温度；且由于热传递的问题，往往热压键合需要较长的时间；压力控制也有一定的要求。

(2)单/双面胶键合是指利用单/双面胶作用在键合面上，使芯片键合的方法。这种方法对单/双面胶的要求比较多，比如键合的强度、生物样品的相容性、亲疏水性等要求。此种方法键合过程简单，易于大规模生产。但与其他键合方式相比，键合强度往往不高；胶的成分容易对生化反应形成干扰；大部分胶都容易产生背景荧光，对光学检测形成干扰。

(3)有机溶液辅助键合是利用有机溶液对聚合物芯片基底具有渗透、软化的作用，使得键合过程中键合面彼此渗透，待有机溶剂挥发后，键合面重新硬化而粘接在一起，完成键合。有机溶液辅助键合具有键合强度高，键合盲区少，键合速度快，成本低和无试剂残留等优点，特别适合大规模生产过程。但传统的有机溶剂容易腐蚀芯片结构，使得芯片结构发生形变，影响芯片的工作。

表面改性是微流控芯片生产中另一个重要的环节。表面改性是指在保持芯片材料原性能的前提下，赋予其表面新的性能。由于芯片基底材料的特性，如亲疏水特性，往往无法满足要求，因而需要对其管道表面进行表面改性，微流控芯片常用的表面改性技术有湿法改性和气相沉积这两种方法。

(1)湿法改性通过液态试剂处理芯片管道，改变其亲疏水特性。这种方法有很广泛的应用，尤其是在微流控芯片学术研究领域，原理是将液态试剂注入制作好的微流控芯片内，使其在管道内壁上形成亲水或疏水的功能层，达到修改表面特性的目的。这种方法具有试剂成本低，适合手动操作等优点。但在大规模生产中，湿法处理需要将试剂通到每片芯片的管道内，这就变得十分低效，限制了生产通量。

(2)气相沉积是利用气相中发生的物理、化学过程，在芯片管道表面形成功能性或装饰性的金属、非金属或化合物涂层。气相沉积同时能处理大批量的芯片，因而比较适合大规模生产过程。但由于气相沉积往往需要真空的环境，因此设备成本很高。同时，若要控制好各处表面改性的一致性，也需要很复杂的控制。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种用于聚合物材质的微流控芯片键合与表面改性的溶液，所述溶液包括以下组分：缓冲组分、键合组分和表面改性组分，所述缓冲组分、键合组分和表面改性组分互溶，且不发生反应，同时不会腐蚀芯片；所述缓冲组分控制键合组分对芯片的软化速度，使得能实现芯片键合又不过分软化芯片，所述缓冲组分为与所述溶液的体积比范围为20％～90％，优选地为30％～80％，更优选地为40％-70％；所述键合组分使得芯片表面变得软化，在其蒸发后，芯片键合面实现键合，所述键合组分与所述溶液的体积比范围为10％～90％，优选地为20％～80％，更优选地为30％-60％；和所述表面改性组分为疏水硅烷，其分子结构为其中卤素可为F、Cl、Br、I原子，卤素数量为1至3，烷烃链的碳原子数为1至20，烷烃链的H原子可以部分或全部由卤素取代；所述表面改性组分与所述溶液的体积比范围为0％～20％；优选地为5％～15％，更优选地为8％-12％。

在一种实施方式中，缓冲组分为选自戊烷、己烷，辛烷、戊烯、己烯、辛烯和壬烯一种或多种。

在一种实施方式中，键合组分为选自丙酮、二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯、苯当中的一种或多种。

在一种实施方式中，表面改性组分为选自二甲基氯硅烷、三甲基氯硅烷、二甲基溴硅烷、三甲基溴硅烷、二甲基碘硅烷、三甲基碘硅烷、十六烷基三氯硅烷、三氯(辛基)硅烷和三氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷当中的一种或多种。

在一种实施方式中，聚合物材质为聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯，聚二甲基硅氧烷、或聚苯乙烯。

在一种实施方式中，本发明提供一种用于聚合物材质的微流控芯片键合与表面改性方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：配置上述用于聚合物材质的微流控芯片键合与表面改性的溶液；

步骤2：将聚合物材质的微流控芯片的需要键合面充分浸润在步骤1中所配置的溶液中；

步骤3：将步骤2中浸润的芯片键合面对齐组装，进行键合，控制键合温度在10～120℃，键合时间控制在10秒～20分钟；

步骤4：键合完成后，用干燥的空气将芯片内残留的溶液吹掉。本发明的有益效果：

1.生产通量高，适合大规模芯片键合。由于在大规模芯片生产过程中，表面改性往往比较费时费力。本发明将聚合物芯片键合与表面改性这两个重要的加工环境合二为一，在键合的同时进行表面改性，不仅解决了湿法改性不适合大规模生产过程的问题，同时还除去了单独进行芯片表面改性的生产环节，因此很大地提高了生产的通量。

2键合盲区少，强度高。本发明的键合芯片的方法是基于有机溶液辅助键合的方法，因此也继承了其键合盲区少，键合强度高的优点。

3设备简单，生产成本低。本发明将湿法改性集成在有机溶液辅助键合的过程中，因而所需的设备***比较简单。同时，由于湿法改性和有机溶液辅助键合都具有生产成本低的优点，因而本发明也同样具有生产成本低的优点。

4键合后，管道的形变小。由于本发明中含有缓冲组分，会对芯片管道结构形成保护，减小键合组分对管道形态的影响，使得键合后管道的形变小。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为实施例1中未经过混合溶液处理的PMMA芯片表面的接触角测量图；

图2为实施例1中经过混合溶液处理的PMMA芯片表面的接触角测量图；

图3为实施例2中由混合溶液A键合的液滴生成芯片生产液滴的结果图；和

图4为实施例2中由混合溶液B键合的液滴生成芯片生产液滴的结果图。

具体实施方式

为了使本领域技术领域人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合下面结合实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本申请保护的范围。下面结合附图和具体实例对本发明作进一步说明。

实施例一混合溶液对PMMA材质亲疏水性的改变

步骤一：取两片表面平整的PMMA芯片，长宽各约为3cm，厚度5mm；放置于纯净水中，用超声清洗机清洗，并烘干。

步骤二：配置1ml混合溶液，其中缓冲组分500μl，键合组分400μl，表面改性组分100μl。其中，缓冲组分成分为正己烷，键合组分为三氯甲烷，表面改性组分为三氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷，其结构式为然后搅拌均匀。

步骤三：对步骤一中的两片PMMA芯片进行氧气等离子处理，处理时间60秒。

步骤四：将两片PMMA芯片平放，将1ml混合溶液均匀涂抹在其中一片PMMA芯片表面，另一片不处理。将两片芯片各自放置于通风容器中，容器内温度设置为50℃。待三十分钟后取出，并用干燥的空气吹去将被处理的芯片上残留的溶液，静置10分钟。

步骤五：将两片芯片放置于接触角测量仪上，分别滴加2μl的蒸馏水水滴，5秒后拍摄接触角照片，并用量角法进行测量。未处理的PMMA芯片表面接触角为72°，结果如图1。混合溶液处理的PMMA芯片表面接触角为113°，接触角增加了41°，结果如图2。

实施例二利用混合溶液键合PC芯片实现液滴的生成

步骤一：取具有十字管道的PC芯片两片，芯片长宽均为3cm，管道深100μm，宽100μm，十字管道四个分支末端均连接了通孔，通孔会被作为流体的出入口使用。另取不含有管道和通孔结构的PC芯片，长宽均为3cm。将四片芯片用超声清洗机清洗，并烘干。

步骤二：配置混合溶液A1ml，包括缓冲组分500μl，键合组分400μl，表面改性组分100μl。其中，缓冲组分成分为1-己烯，键合组分为二氯甲烷，表面改性组分为三氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷。配置不带表面处理组分的混合溶液B1ml，包括缓冲组分600μl，键合组分400μl。其中，缓冲组分为1-己烯，键合组分为二氯甲烷。

步骤三：对步骤一中的四片PC芯片进行氧气等离子处理，处理时间60秒。

步骤四：将两片不含有管道结构的PC芯片平放，将1ml混合溶液A均匀涂抹在其中一片PC芯片表面，混合溶液B均匀涂抹在另一片表面。静置10秒后，将另外两片PC芯片带管道结构的面向下，与另外两片PC芯片涂抹混合溶液的面紧密的压在一起，压力为50N。保持压力并将它们放置于通风容器中，容器内温度设置为80℃。待十分钟后取出。此时芯片已经键合完毕，得到两张完整的芯片。

步骤五：用干燥的空气吹去芯片中残留的溶液，静置10分钟。

步骤六：利用注射器分别向两片芯片中注入水和矿物油用于生成液滴。其中，十字管道的一条管道注入水，流速为800μl/h，其相邻的两条管道注入矿物油，流速均为600μl/h，水和矿物油在十字处汇合，然后一起流向剩下的管道，并从出口流出。此种情况下，液滴的生成需要管道具有一定的疏水性。十字交汇处水与矿物油的相互作用过程在显微镜下用高速相机记录，结果如图3，图4。用混合溶液A键合的芯片由于含有表面处理试剂，管道内壁是具有疏水性的，因此能够生成尺寸均一的液滴。而用混合溶液B键合的芯片没有进行管道表面改性，未改性的管道疏水性不够，因而无法生成液滴。整个过程芯片密封性良好，且混合溶液A键合的芯片能够对管道进行表面改性，说明本发明同时具备键合芯片与表面改性的能力。经测量，混合溶液A键合的芯片键合强度可达113N/cm²，混合溶液B键合的芯片键合强度可达152N/cm²。

应该理解到披露的本发明不仅仅限于描述的特定的方法、方案和物质，因为这些均可变化。还应理解这里所用的术语仅仅是为了描述特定的实施方式方案的目的，而不是意欲限制本发明的范围，本发明的范围仅受限于所附的权利要求。

本领域的技术人员还将认识到，或者能够确认使用不超过常规实验，在本文中所述的本发明的具体的实施方案的许多等价物。这些等价物也包含在所附的权利要求中。

Claims (6)

1.用于聚合物材质的微流控芯片键合与表面改性的溶液，其特征在于所述溶液包括以下组分：缓冲组分、键合组分和表面改性组分，所述缓冲组分、键合组分和表面改性组分互溶，且不发生反应，同时不会腐蚀芯片；

所述缓冲组分控制键合组分对芯片的软化速度，使得能实现芯片键合又不过分软化芯片，所述缓冲组分为与所述溶液的体积比范围为20％～90％，优选地为30％～80％，更优选地为40％-70％；

所述键合组分使得芯片表面变得软化，在其蒸发后，芯片键合面实现键合，所述键合组分与所述溶液的体积比范围为10％～90％，优选地为20％～80％，更优选地为30％-60％；和

所述表面改性组分为疏水硅烷，其分子结构为其中卤素可为F、Cl、Br、I原子，卤素数量为1至3，烷烃链的碳原子数为1至20，烷烃链的H原子可以部分或全部由卤素取代；所述表面改性组分与所述溶液的体积比范围为0％～20％；优选地为5％～15％，更优选地为8％-12％。

2.根据权利要求1的所述微流控芯片键合与表面改性的溶液，其特征在于所述缓冲组分为选自戊烷、己烷，辛烷、戊烯、己烯、辛烯和壬烯一种或多种。

3.根据权利要求1的所述微流控芯片键合与表面改性的溶液，其特征在于所述键合组分为选自丙酮、二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯、苯当中的一种或多种。

4.根据权利要求1的所述微流控芯片键合与表面改性的溶液，其特征在于所述表面改性组分为选自二甲基氯硅烷、三甲基氯硅烷、二甲基溴硅烷、三甲基溴硅烷、二甲基碘硅烷、三甲基碘硅烷、十六烷基三氯硅烷、三氯(辛基)硅烷和三氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷当中的一种或多种。

5.根据权利要求1的所述微流控芯片键合与表面改性的溶液，其特征在于所述聚合物材质为聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯，聚二甲基硅氧烷、或聚苯乙烯。

6.一种用于聚合物材质的微流控芯片键合与表面改性方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

步骤1：配置权利要求1的所述溶液；

步骤2：将聚合物材质的微流控芯片的需要键合面充分浸润在步骤1中所配置的溶液中；

步骤3：将步骤2中浸润的芯片键合面对齐组装，进行键合，控制键合温度在10～120℃，键合时间控制在10秒～20分钟；

步骤4：键合完成后，用干燥的空气将芯片内残留的溶液吹掉。